可编程逻辑控制器在机顶盒中的应用

机顶盒市场概览 机顶盒市场正经历着前所未有的快速增长，预计在2002年以前每年的需求量都将以百万台的数量级增长。 目前机顶盒市场依据网络类型来分有三大应用市场：卫星电视、有线电视和天线电视。除按电视信号发射系统划分外，机顶盒还可按功能不同分为低端、中端和高端。其中：低端机顶盒可将解码后的音频和视频输出到模拟电视或数字电视上；中端机顶盒加入了有限的交互性，可以实现交互式广告和节目安排程序；高端机顶盒可实现高水平的交互功能，如网页浏览和硬盘视频存贮。 机顶盒市场是一个变化快，对成本异常敏感的市场。为了提供竟争对手所没有的特性，广播公司必须不断为自己的机顶盒加上新的特征并迅速推向市场。Xilinx的大容量FPGA和CPLD器件为系统设计者提供了性能价格比很高的解决方案，同时还保持了传统PLD快速推向市场的优势。虽然很多功能最终会被吸收用在特殊应用标准产品ASSP(Application Specific Standard Products)器件中. 但不断提出的很多新功能或标准芯片组目前还不能提供，或者还不能完全利用ASSP完成，因此可编程逻辑的应用非常重要。 机顶盒的基本结构 构成机顶盒系统的功能块主要有： 连接卫星接收器或线缆调制解调器的连接块； 天线电视接收器或可并发解调数据流的xDSL调制解调器； 可作进一步MPEG-2解码的密码操作系统； 中央处理器，如ARM，MIP或是嵌入其他功能的x86处理器； 带音频、视频输出的MPEG-2解码器； 外部标准接口，如RS232，USB； 用于连接由广播公司控制的拨号系统的低数据率的调制解调器。 在这些设计中，Xilinx器件主要用于完成各主要模块间的接口功能。大多数接口都很类似，只是简单的逻辑改变。图2和图3给出了用到Xilinx器件的主要模块示意。 为市面上所有不同类型的系统分别开发接收器代价很高，但机顶盒的主要处理部分是很通用的。可编程逻辑器件可以在数据通道上提供所需的接口逻辑。 利用可编程逻辑使机顶盒制造商不必依赖于某一个芯片组供应商。另外，广播公司对机顶盒功能的要求，很大程度上影响到机顶盒中不同模块芯片的选用。所以，多数情况下使用单一厂商芯片组的机顶盒方案不能满足所有需要。可编程逻辑器件是实现这一点的理想选择。 Xilinx芯片应用的另一个重要方面是密码操作（Conditional Access,CA）系统(见图2)。 在系统的这一部分信号被解码。为顺利进行解码，信号发送时要使用适当的算法。算法可用软件或包含在智能卡上的硬件实现。然而，多数广播公司有自己独特的算法，因此目前应用的解码方法种类很多。在密码操作系统中采用可编程逻辑器件可以简化制造过程，机顶盒的制造过程完全统一，只是针对不同广播公司的特殊加密要求对可编程器件进行编程就行了。这样机顶盒就成为可以批量制造的标准产品，从而可以体现出大批量制造的优势。 在保证广播公司可以使用自己喜欢的方法的同时，却能够得到单一解码系统的好处，这就是设计通用接口（Common Interface）标准的目的。“通用接口”定义了主处理模块与解码电路间的连接标准。它是在欧洲电子技术标准协会（CENELEC）的支持下标准化的，并被数字音频及视频委员会（DAVIC）采纳，以CA0接口的名义出现在DAVIC规范中。同样这一接口也构成了美国国家可更新安全标准（NRSS）委员会相应标准的基础。 预计新出现的机顶盒设计将会逐渐采用通用接口标准。这样可使机顶盒以很好的性价比支持多种解码标准。Xilinx Spartan和CPLD器件被广泛地用在此类设计中，以实现机顶盒与加密智能卡间的桥接。 硬盘存储技术 Xilinx器件在标准的机顶盒系统中有用武之地，特别是前面介绍过的方面。但其主要应用还是在那些具有先进特性的新机顶盒设计中。其中最有意思的发展之一可能是硬盘存储技术在机顶盒中的应用。ReplayTV、NDS和Pace Technologies公司都开发了此类产品。 Xilinx同计划在机顶盒中采用硬盘存储技术的一些制造商进行了合作。由于硬盘每10GB存储的价格已降低到100美元以下，所以此类合作使双方都受益非浅。利用硬盘存储电影比视频录像机存储有很多优点。例如，可以同时进行读写。消费者可以将节目录下来稍后再看。 对于录像机来说，一边录制节目，一边播放15分钟前该节目播放的内容是不可能的。采用硬盘技术则可以让观看者在接电话或为人开门后回来再观看原来正在看的节目，就象什么也没做一样，只是实际上，他们看到的节目比实际传输的时间向后推迟了。同样，观众可以拥有即时回放和慢动作播放能力。这对广告业的影响也是深远的。有10-15分钟的灵活时间，观众可能会快速跳过播放的广告。电视公司非常关注这一点。这就是为什么大多数机顶盒都有一个回送通道的原因之一。该通道一般利用相对较低速率的调制解调器。晚上，特定客户的观看习惯被送回广播公司。广播公司可以建立该客户的档案，将来技术的发展可能允许只发送针对该客户需求的广告。 硬盘技术的应用发展很快。毫无疑问，将来会有很多专门为此开发的硬盘控制专用芯片组，但目前Xilinx的Spartan器件提供了实现这一功能的有效且低价的方法。带有片上RAM的Spartan器件可以相对方便地构成控制电路以及数据传输所需的先进先出（FIFO）缓冲。可编程功能允许机顶盒制造商针对不同的厂家的硬盘进行优化。这样，机顶盒制造商可以支持不同厂家采用最新技术的硬盘，其好处是显然的。 硬盘制造商Western Digital最近推出了一系列针对机顶盒市场的硬盘产品。其它硬盘制造商也发布了类似的产品。与PC不同，机顶盒要求极高的可靠性和较小的运行噪声。视频流对硬盘的要求也与PC不同。Western Digital发展了称为StreamWeaver的指令集，专门为音频/视频性能进行了优化。它允许数据流可以同时写入和读出，满足了机顶盒制造商的要求。 Internet和电子商务 根据预测，机顶盒可能会成为消费者在Internet上利用电子商务购买商品和服务的主要方式。一些厂商正寻求在机顶盒上实现可附加的智能卡读取器，利用智能信用付费卡可以保证网上消费时的安全。 值得注意的是PC业的很多厂商都在迅速地转向机顶盒市场，希望能占领一席之地。 目前，机顶盒的Web功能还很有限。诸如MP3播放器和文件阅读器之类的功能，目前的机顶盒也还不支持。这种情况将来会有改变。微处理器厂商在机顶盒市场的竟争非常激烈。可编程逻辑使机顶盒厂商可以很容易地将微处理器应用到机顶盒系统中。在基本的机顶盒中合并更多的功能是一个趋势，然而灵活性可能是一个更关键的要求，至少在开发阶段是如此。Xilinx XC9500系列和CoolRunner器件非常广泛地应用于微处理器和系统芯片的接口。两个系列的芯片都是可在系统编程的（ISP），可以在开发周期的各个阶段进行修改，甚至已经现场应用的情况下也可以。这为设计人员带来很大的灵活性，可以满足由于微处理器、外围芯片协议的迅速变化对系统的要求。 视频游戏 机顶盒和视频游戏机间的很多电路是共同的。最新的视频游戏机也整合了Web能力。主要的区别在于3D图像处理能力。可以想象这一功能将来也会集成到机顶盒芯片组中。ST MicroElectronics公司计划集成Nvidiar RIVA-128核心以增强其3D性能。这样强大的3D图像处理能力是提供大众游戏所需要的。 高分辨率电视（HDTV） 现在几乎所有的机顶盒设计都是针对标准分辨率电视的，如PAL、SECAM和NTSC。可以预见，特别是在美国，将来对高分辨率（HDTV）电视服务的要求会不断增强。消费者对高质量电影和体育节目的要求会推动HDTV的发展。 但在可预期的将来，对HDTV的需求还比不上标准分辨率电视。由于HDTV额外的处理要求，有限的市场需求以及不明确的目标市场，只有利用可编程逻辑才可以为产品开发提供最大的灵活性。 未来的机顶盒中可编程逻辑技术将会扮演更重要的角色。原因之一就是可以提供先进的网络集中管理功能，如Xilinx Internet重配置逻辑（IRL）。利用IRL，机顶盒制造商甚至可以在产品售出后进行升级以增加新特性。关键的是，这些操作并不需要服务人员到现场，而是通过机顶盒接收数据信号的同一个信道进行的。